[發(fā)明專利]圖形化GaN襯底的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010617750.5
• 申請(qǐng)日: 2010-12-31
• 公開（公告）號(hào): CN102142487A
• 公開（公告）日: 2011-08-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張國義;孫永健;賈傳宇;陸羽;劉鵬;付星星;楊志堅(jiān);童玉珍;廉宗禺
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司
• 主分類號(hào): H01L33/00
• 分類號(hào): H01L33/00;H01L33/32;H01L21/02
• 代理公司: 廣州華進(jìn)聯(lián)合專利商標(biāo)代理有限公司 44224
• 代理人: 譚一兵

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及圖形化GaN襯底(PatternedGaN?Substrade，PGS)的制備及其應(yīng)用，在氮化鎵襯底上(包括GaN單晶襯底，或GaN/Al₂O₃、GaN/Si，GaN/SiC等復(fù)合襯底的GaN面)，制備出微納米圖形，作為生長襯底，制備高性能GaN基發(fā)光器件，如光發(fā)射二極管(LED)等。

背景技術(shù)

以GaN，InN，AlN及其三元系和四元系材料為主的氮化物半導(dǎo)體材料，其能帶間隙范圍在0.7eV到6.2eV連續(xù)可變，且均為直接帶隙。其優(yōu)異的物理、化學(xué)穩(wěn)定性，高飽和電子遷移率等特性，成為GaN基激光器、發(fā)光二極管等光電子器件的優(yōu)選材料。

然而，由于GaN單晶制備困難，又很難找到與GaN晶格匹配的材料，通常氮化物光電子器件都是制備在藍(lán)寶石，碳化硅等襯底上。但是，藍(lán)寶石與GaN材料晶格常數(shù)相差約15％，熱膨脹系數(shù)和化學(xué)性質(zhì)也相差較大。大的失配使在藍(lán)寶石襯底上生長的氮化物外延層缺陷密度較大(達(dá)10⁹～10¹²cm^-2)，從而影響器件的壽命和發(fā)光效率。另外，材料的折射率差導(dǎo)致光的全反射限制，使得有源區(qū)產(chǎn)生的70％以上的光被限制在器件內(nèi)。因此，如何在基于藍(lán)寶石襯底的基礎(chǔ)上提高器件生長質(zhì)量和提高出光效率，成了制約LED器件發(fā)展的關(guān)鍵問題。

近年來，圖形化藍(lán)寶石襯底(Patterned?Sapphire?Substrates，PSS)技術(shù)逐漸發(fā)展起來。PSS技術(shù)就是在藍(lán)寶石襯底上制備微米、納米尺度的圖形，作為MOCVD生長的襯底，以此減小GaN基外延層的位錯(cuò)的密度，降低界面的應(yīng)力，提高外延層晶體質(zhì)量，減少非輻射復(fù)合中心，進(jìn)而提高LED的內(nèi)量子效率；同時(shí)，結(jié)合LED器件的發(fā)光特性，設(shè)計(jì)襯底圖形，改變界面處的光傳輸條件，從而提高光出射效率，使LED外量子效率等性能大幅度提升。目前，PSS襯底已經(jīng)成為LED產(chǎn)業(yè)的的主要技術(shù)，使LED光功率水平相比普通藍(lán)寶石襯底制作的器件光功率增加約30％。然而，PSS襯底依然存在底導(dǎo)熱性能不佳，晶格失配大，需要兩步生長等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種在GaN襯底上(包括其他如GaN/Al₂O₃，GaN/Si，GaN/SiC等復(fù)合襯底的GaN面上)制備圖形化襯底的方法，比傳統(tǒng)PSS中在Al₂O₃面上制備圖形化襯底，具有更優(yōu)良的性能，可以大幅度提高LED的發(fā)光效率；本發(fā)明的PGS具有GaN同質(zhì)外延的優(yōu)點(diǎn)，可以大幅度提高LED芯片的內(nèi)量子效率，出光效率和熱導(dǎo)率，可以用來制備量子點(diǎn)發(fā)光器件，如LED、LD等。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明的圖形化GaN襯底的制備方法，采用以下的技術(shù)方案：

一種圖形化GaN襯底的制備方法，是在氮化鎵襯底上制備出微納米圖形，作為生長襯底，所述方法包括如下步驟：

①、提供一襯底，所述襯底是GaN單晶襯底，或是GaN/Al₂O₃、GaN/Si、GaN/SiC復(fù)合襯底，復(fù)合襯底的表面層是GaN面，清理后備用；

②、PGS(圖形化GaN襯底)的制備中，在GaN表面層，使用微納米圖形的掩膜、光刻技術(shù)、納米壓印技術(shù)或氧化鋁(AAO)圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)等生成圖形；使用微納米圖形的掩膜、光刻技術(shù)，在GaN單晶襯底，GaN/Al₂O₃復(fù)合襯底、或GaN/Si等襯底上，采用光刻方法，制備出優(yōu)化的具有不同尺寸、形狀、周期等參數(shù)的圖形；掩模可以采用光刻技術(shù)，納米壓印技術(shù)，AAO掩模技術(shù)等方法；

③、然后使用圖形刻蝕技術(shù)，可以是干法刻蝕ICP技術(shù)、濕法刻蝕技術(shù)，刻蝕方法可以采用干法刻蝕ICP技術(shù)或濕法刻蝕(KOH、HPO3等)工藝，制備出能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的微米及亞微米量級(jí)的有利于出光的結(jié)構(gòu)；獲得所需圖形結(jié)構(gòu)；圖形結(jié)構(gòu)可以是半圓形周期性結(jié)構(gòu)，也可以是具有不同晶面的周期性結(jié)構(gòu)，圖形周期可以從10微米到5納米，圖形深度可以在5微米到1納米；圖形結(jié)構(gòu)可以是微透鏡、六角錐等圖形結(jié)構(gòu)的PGS襯底(圖形化GaN襯底)；圖形結(jié)構(gòu)周期可以從100nm到5000nm之間，進(jìn)行選擇。

本發(fā)明提出的圖形化GaN襯底(Patterned?GaN?Substrade，PGS)，可以徹底消除這些起點(diǎn)和不足。本發(fā)明PGS襯底，除了現(xiàn)有PSS襯底的優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：